Betapartikkel - Beta particle
En betapartikkel , også kalt betastråle eller betastråling (symbol β ), er et elektron med høy hastighet eller positron som sendes ut av det radioaktive forfallet til en atomkjerne under beta-forfall . Det er to former for beta -forfall, β - forfall og β + forfall, som produserer henholdsvis elektroner og positroner.
Betapartikler med en energi på 0,5 MeV har et område på omtrent en meter i luft; avstanden er avhengig av partikkelenergien.
Betapartikler er en type ioniserende stråling, og for strålingsbeskyttelsesformål anses det å være mer ioniserende enn gammastråler , men mindre ioniserende enn alfapartikler . Jo høyere ioniserende effekt, desto større skade på levende vev, men også lavere penetrasjonskraft for strålingen.
Beta forfallsmoduser
β - forfall (elektronemisjon)
En ustabil atomkjerne med et overskudd av nøytroner kan gjennomgå β - forfall, der et nøytron omdannes til et proton , et elektron og et elektron antineutrino ( antipartikkelen til nøytrinoet ):
-
n
→
s
+
e-
+
v
e
Denne prosessen formidles av det svake samspillet . Nøytron blir til et proton gjennom utslipp av en virtuell W - boson . På kvarknivå gjør W - utslipp en nedkvark til en oppkvark, og gjør et nøytron (en kvark opp og to nedkvarker) til et proton (to kvarker opp og en nedkvark). Den virtuelle W - boson deretter oppløses i et elektron og et antinøytrino.
β− forfall forekommer ofte blant de nøytronrike fisjonbiproduktene som produseres i atomreaktorer . Gratis nøytroner forfaller også via denne prosessen. Begge disse prosessene bidrar til de store mengder betastråler og elektronantineutrinoer som produseres av drivstoffstenger for fisjonreaktor.
β + forfall (positronemisjon)
Ustabile atomkjerner med et overskudd av protoner kan gjennomgå β + forfall, også kalt positronforfall, hvor et proton omdannes til et nøytron, et positron og et elektronneutrino :
-
s
→
n
+
e+
+
v
e
Beta-pluss-henfall kan bare skje inne i kjerner når den absolutte verdien av bindingsenergien til datterkjernen er større enn den til foreldrekjernen, dvs. datterkjernen er en tilstand med lavere energi.
Beta forfall -ordninger
Det medfølgende råtningsskjemaet viser beta-henfallet av cesium-137 . 137 Cs er kjent for en karakteristisk gammatopp ved 661 KeV, men dette sendes faktisk ut av datterradionuklidet 137m Ba. Diagrammet viser typen og energien til den utsendte strålingen, dens relative overflod og datternuklider etter forfall.
Fosfor-32 er en beta-emitter som er mye brukt i medisin og har en kort halveringstid på 14,29 dager og henfaller til svovel-32 ved beta-forfall som vist i denne atomligningen:
1,709 MeV energi frigjøres under forfallet. Elektronens kinetiske energi varierer med et gjennomsnitt på omtrent 0,5 MeV, og resten av energien bæres av det nesten ikke -detekterbare elektronantineutrino . I sammenligning med andre beta-strålingsemitterende nuklider er elektronen moderat energisk. Det er blokkert av rundt 1 m luft eller 5 mm akrylglass .
Interaksjon med andre saker
Av de tre vanlige strålingstypene som avgis av radioaktive materialer, alfa , beta og gamma , har beta mediet gjennomtrengende kraft og middels ioniseringskraft. Selv om betapartiklene som avgis av forskjellige radioaktive materialer varierer i energi, kan de fleste betapartiklene stoppes av noen få millimeter aluminium . Dette betyr imidlertid ikke at beta-utsendende isotoper kan være fullstendig skjermet av slike tynne skjold: ettersom de bremser i materie, avgir beta-elektroner sekundære gammastråler, som er mer gjennomtrengende enn beta i seg selv. Skjerming sammensatt av materialer med lavere atomvekt genererer gammas med lavere energi, noe som gjør slike skjold noe mer effektive per masseenhet enn de som er laget av materialer med høy Z som bly.
Betastråling består av ladede partikler og er sterkere ioniserende enn gammastråling. Ved passering gjennom materie, er en betapartikkel bremset av elektromagnetiske vekselvirkninger, og kan avgi bremsestråling røntgenstråler .
I vann overstiger beta -stråling fra mange kjernefysiske produkter vanligvis lysets hastighet i materialet (som er 75% for lyset i vakuum), og genererer dermed blå Cherenkov -stråling når det passerer gjennom vann. Den intense betastrålingen fra drivstoffstengene til svømmebassengreaktorer kan dermed visualiseres gjennom det gjennomsiktige vannet som dekker og beskytter reaktoren (se illustrasjonen til høyre).
Deteksjon og måling
De ioniserende eller eksiterende effektene av betapartikler på materie er de grunnleggende prosessene som radiometriske deteksjonsinstrumenter oppdager og måler betastråling. Ioniseringen av gass brukes i ionekamre og Geiger-Müller-tellere , og eksitasjonen av scintillatorer brukes i scintillasjonstellerne . Tabellen nedenfor viser strålingsmengder i SI og ikke-SI enheter:
| Mengde | Enhet | Symbol | Avledning | År | SI -ekvivalens |
|---|---|---|---|---|---|
| Aktivitet ( A ) | becquerel | Bq | s −1 | 1974 | SI -enhet |
| curie | Ci | 3,7 × 10 10 s −1 | 1953 | 3,7 × 10 10 Bq | |
| rutherford | Rd | 10 6 s −1 | 1946 | 1.000.000 Bq | |
| Eksponering ( X ) | coulomb per kilo | C/kg | C⋅kg −1 luft | 1974 | SI -enhet |
| röntgen | R | esu / 0,001293 g luft | 1928 | 2,58 × 10 −4 C/kg | |
| Absorbert dose ( D ) | grå | Gy | J ⋅kg −1 | 1974 | SI -enhet |
| erg per gram | erg/g | erg⋅g −1 | 1950 | 1,0 × 10 −4 Gy | |
| rad | rad | 100 erg⋅g −1 | 1953 | 0,010 Gy | |
| Ekvivalent dose ( H ) | sievert | Sv | J⋅kg −1 × W R | 1977 | SI -enhet |
| röntgen tilsvarende mann | rem | 100 erg⋅g −1 x W R | 1971 | 0,010 Sv | |
| Effektiv dose ( E ) | sievert | Sv | J⋅kg −1 × W R × W T | 1977 | SI -enhet |
| röntgen tilsvarende mann | rem | 100 erg⋅g −1 × W R × W T | 1971 | 0,010 Sv |
- Den grå (Gy), er SI -enheten for absorbert dose , som er mengden strålingsenergi som avsettes i det bestrålede materialet. For betastråling er dette numerisk lik ekvivalentdosen målt av sievert , som indikerer den stokastiske biologiske effekten av lave nivåer av stråling på menneskelig vev. Konverteringsfaktoren for strålingsvekt fra absorbert dose til ekvivalent dose er 1 for beta, mens alfapartikler har en faktor 20, noe som gjenspeiler deres større ioniserende effekt på vev.
- Den rad er den avviklede CGS enhet for absorbert dose og rem er den avviklede CGS enhet av tilsvarende dose, anvendes fortrinnsvis i USA.
applikasjoner
Betapartikler kan brukes til å behandle helsemessige forhold som øyekreft og beinkreft og brukes også som sporstoffer. Strontium-90 er det mest brukte materialet for å produsere betapartikler.
Betapartikler brukes også i kvalitetskontroll for å teste tykkelsen på et element, for eksempel papir , som kommer gjennom et system med ruller. Noe av betastrålingen absorberes mens den passerer gjennom produktet. Hvis produktet er laget for tykt eller tynt, vil en tilsvarende forskjellig mengde stråling absorberes. Et dataprogram som overvåker kvaliteten på det produserte papiret vil deretter flytte valsene for å endre tykkelsen på sluttproduktet.
En belysningsenhet kalt en betalight inneholder tritium og et fosfor . Etter hvert som tritium forfaller , avgir det betapartikler; disse treffer fosforen og får fosforet til å avgi fotoner , omtrent som katodestrålerøret i et fjernsyn. Belysningen krever ingen ekstern kraft, og vil fortsette så lenge tritium eksisterer (og fosforene endrer seg ikke kjemisk selv); at mengden av lys som produseres vil falle til halvparten av sin opprinnelige verdi på 12,32 årene har halveringstiden av tritium.
Beta-pluss (eller positron ) nedbrytning av et radioaktivt sporstoff isotop er kilden til de positroner som brukes i positronemisjonstomografi (PET scan).
Historie
Henri Becquerel , mens han eksperimenterte med fluorescens , fant ved et uhell ut at uran avslørte en fotografisk plate, pakket med svart papir, med noe ukjent stråling som ikke kunne slås av som røntgenstråler .
Ernest Rutherford fortsatte disse eksperimentene og oppdaget to forskjellige typer stråling:
- alfapartikler som ikke dukket opp på Becquerel -platene fordi de lett ble absorbert av det svarte innpakningspapiret
- betapartikler som er 100 ganger mer penetrerende enn alfapartikler.
Han publiserte resultatene sine i 1899.
I 1900 målte Becquerel forholdet mellom masse og ladning ( m / e ) for betapartikler ved hjelp av metoden til JJ Thomson som ble brukt til å studere katodestråler og identifisere elektronet. Han fant ut at e / m for en betapartikkel er det samme som for Thomsons elektron, og antydet derfor at beta -partikkelen faktisk er et elektron.
Helse
Betapartikler trenger moderat inn i levende vev, og kan forårsake spontan mutasjon i DNA .
Betakilder kan brukes i strålebehandling for å drepe kreftceller.
Se også
Referanser
Videre lesning
- Radioaktivitet og alfa, beta, gamma og røntgenstråler
- Rays and Particles University of Virginia Forelesning
- Strålingshistorie ved Idaho State University
- Betavoltic -batteri: Forskere oppfinner 30 års kontinuerlig strømbatteri på NextEnergyNews.com
- Radioaktive bærbare datamaskiner? Kanskje ikke ... på Wayback Machine (arkivert 5. oktober 2007)
- Grunnleggende kjernefysisk informasjon ved Lawrence Berkeley National Laboratory